摘要：介绍了压电式加速度传感器的结构特点与工作原理。通过对传统的压电式加速度传感器结构的深入分析和 试验，发现其有一定的局限性，为此对其进行了结构改进的尝试，经实验测试，表明其在性能上有一定的提高。同时对其 新的设计结构和发展趋势进行了技术性的演讲与预测。

　　关键词：加速度传感器；石英晶片；ADP

　　1　引言

　　压电式传感器的工作原理是基于压电效应，是一种典型的有源传感器。某些介质材料在外力的作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量的转换。

　　在传统的压电加速度传感器中，几乎都用石英，仅有少数 传感器可能用Rochelle盐。现在这些仪器中增加了具有铁电材料的极化陶瓷的传感器，这些材料有钛酸钡和其衍生物，在少数情况下用ADP.各种石英型传感器通常都是大而重，因而 对频率上限的限制很大。它们常和直流放大器一道使用，其第一级是绝缘电阻尽可能高的输入电路。Rochelle盐型传感器尽 管灵敏度高，但是因为在大多数实际运用的情况下其温度和湿 度极限太低，因而其应用范围受到了限制。

　　2　传统加速度传感器的结构

　　图1显示了传统的加速度传感器的结构，它具有两块X切 向石英晶体，若对晶体施加压力则在中心电极上产生的电荷是 叠加的。由环状弹簧施加的机械预载必须比预期沿向上方向所施最大加速度力要大。晶体的两外表面与壳罩相连因而处 于低电位，此传感器具有0.62 pC/g的输出，并在15 kHz左右 发生最低频率谐振。两晶体的电容仅有几个pF，从而与任一 长度的电缆电容相比均可忽略不计。传感器重约250~300 g， 可用螺栓固定。加上电缆，若总电容是500 pF，则开路输出电压是

　这种传感器适合于测量中等的和高值的加速度，除非采用极短的电缆。
　　

　　图1用环状弹簧加载具有两石 英晶片的加速度传感器

　　
　　3　对传统速度传感器的结构改进及设计

　　图2表示了基于同样原理制作的传感器，但其灵敏度更高，其惯性质量增大，晶堆由10个晶片并联组成，可产生约80 pC/g的电荷输出。最低谐振频率是1 500Hz.此外，若设总电容 为500 pF，则电压输出是160 mV/g，因此像地球引力的几分之 一那样小加速度都可以容易地被测量出来，只是频率要达到300 Hz才行。在制作石英晶堆特别是用的晶体圆片数量很多 时，必须精心保证各晶片表面的平行。横向灵敏度必须用精确 的、强度足够的定向弹簧来控制。在取向时，如果用单个圆晶 片，应该注意的是晶片上y轴的方向，要设法按这样的方式安 置它们，即在晶片上由于惯性力引起的横向灵敏度可以被抵 消。尽管这种加速度传感器尺寸和重量较大，但在民用工程和 地质的地面震动测量等方面应用仍较广泛。

　　图2具有10个石英晶片的高灵敏度加速度传感器

　　图3是一个理论上具有横向误差补偿的加速度传感器，其中两个独立的惯性系统这样安置在让纵向加速度力(沿传感器 轴向)引起叠加的输出，而如果晶体的y轴指向同一方向，由 横向力引起的输出则互相抵消。由空气传来的声压输出也是 由于这种安排而得到补偿。但是，这两个独立的振动系统的谐 振频率之间有拍频的危险，而且由于两个系统相似，所以拍频 频率很低且必然落在传感器有用的频段之内。

　　图3孪生型加速度传感器示意图

　　图4是用磷酸二氢铰晶体(ADP)制作的加速度传感器的示意图。长度伸缩式ADP晶堆安装在金属壳体内，晶堆自由 端的膜片限制了任何横向振动。结果是横向灵敏度是纵向灵 敏度(5.4pC/g)的7%(最大值）。其电容(具有0.5m长的电缆)是168 pF，则其电压输出是32 mV/g室温下绝缘电阻是70 M3，在最高工作温度即70 t时就降到1 MQ.由于电荷灵敏度 和电容大致以相同的速率下降，所以输出电压在-40~70℃的温度范围内是相当稳定的。这种传感器重25 g左右。除了 有限的温度范围和较低的绝缘电阻，这种传感器还具有尺寸小、固有频率高(约50 kHz)、加速度范围宽（±500 g)的优点。 ADP没有显著的热释电效应。

　　图4具有ADP晶堆的加速度传感器示意图

　　极化铁电陶瓷的出现推动了压电式加速度传感器的设计 和应用。这种材料的高介电常数和灵敏度促使传感器做得比 用石英制的更小，而这种陶瓷材料的高机械刚度和强度可以提 供比Rochelle盐有更高的固有频率和更宽的加速度范围。

　　宽频段微型加速度传感器，是把钛酸钡圆晶片放在传感器 底座和惯性质量之间，并用夹紧的方法安装起来，如图5(a)。 近代，Farnborough皇家航空飞行器研究中心生产了一种焊接结 构传感器，并用包锌的环氧树脂外罩来防潮和静电屏蔽如图5 (b)和图5(c)。但是对这种外罩能显著地增加阻尼的希望未 能奏效。若采用图5(d)所示的管状元件和图5(f)所示的倒置 型，则可避免底部结构中的应变直接传递到敏感元件上去。

　　图5铁电陶瓷片的微型加速度传感器

　　铁电双压电晶片的加速度传感器常常是弯曲型的，如图5 (d)所示，它采用一个悬臂元件。加速度通常是施于双压电晶 片的平面上，而且除了双压电晶片的自重外一般没有惯性质 量。把这种设计进行改进，把晶片固定到一个薄金属圆盘上， 中心用螺栓支承，该结构已被成功地使用了。在加速度作用下 晶片挠曲像一把张开的伞如图5(h)。

　　4　结束语

　　实验证明，用磷酸二氢铰晶体(ADP)制作的加速度传感器 具有尺寸小、固有频率高(约50 kHz)、加速度范围宽的优点，而极化铁电陶瓷则由于这种材料的高介电常数和灵敏度可使传感 器做得比用石英制的更小，同时有更高的固有频率和更宽的加 速度范围。为了避免底部结构中的应变直接传递到敏感元件上 去，可采用图5(d)所示的管状元件及图5 (f)所示的倒置型。（作者：叶伟国，沈国伟）

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